基于學習過程對物理教學改革的理解

張 睿 王祖源

（同濟大學物理科學與工程學院，上海 200092）

近年來，國內外對教學改革的開展都十分重視，對學習模式的實證性研究報道也層出不窮，這些工作對教育改革的推動起到了重要的作用［1，2］.近年來興起的大規模在線教學模式（MOOCs）不僅對基于課堂的傳統教學模式提出了挑戰，也為課堂教學模式提供了大量的教學資源.如何整合這些教學資源，應對信息時代教育的機遇和挑戰，是廣大教育工作者需要思考的一個問題［3，4］.

2013年夏季，兩位筆者先后前往加拿大和美國參加教學交流活動，根據近年來歐美大學物理教學改革的情況，本學期針對所了解的情況作了一些改革，在實踐過程中意識到認識學習過程，分析教學改革，推動學生學習掌握知識的機制，對深化和評價教學改革也能夠起到輔助的作用.本文從學習過程出發，試圖對大學物理教學中常見的幾種教學改革模式作梳理，并結合自身教學實踐的體會，探討改革中需要重視的問題.

1 學習過程的基本框架

按照教育學理論，可以把學習過程簡單分成三個階段：學前階段，學習階段和評價反饋階段.在學前階段中，包括學習有關的預備知識，對學習目標的確定，激發學習興趣幾個方面的工作；學習階段的主要工作包括知識的學習和掌握，必要的訓練與鞏固；而在評價反饋階段則主要包括測試知識和方法的掌握程度，學生和教師對學習效果的認知和調整.這些過程的聯系可以用圖1來描述：

圖1 學習過程的基本框架

在傳統的教學模式中，教師比較側重于將時間花在學習訓練環節上，對學生的知識背景的了解以及基于評價結果對教學過程的調整相對較少，學生處于被動的學習模式，難以激發出對學習的興趣，這樣的教學模式難免對教學效果帶來一定的負面影響；而目前的教學改革，立足點就在于利用先進的科學技術與教學手段，加強師生之間與學生之間的互動和反饋，激發學生的學習興趣，改善教學效果.了解新教學模式的實施目標，區分不同教學方法的特點和優勢，有利于教師基于學生的知識背景和教學環境，制定切合實際的教學方案，提高教學效果.下面主要討論近年來常用的幾種教學模式.

2 教學模式對學習過程的影響（以大學物理為例）

2.1 反轉課堂

反轉課堂［5］（flipped classroom，flip teaching）將評價測試環節和學習訓練環節互換，學生通過預先學習教師派發的材料，自學和課程有關的內容，教師通過測試了解學生學習過程中的不足，通過輔導和教學加以修正.近年來隨著大規模網上開放課程（massive open online course，MOOC）的出現，使得反轉課堂在西方教學改革方面獲得較多的重視，反轉課堂和個性化教學與研究型學習的結合近年來也逐漸增多.

反轉課堂將傳統教學環節中教學內容學習部分，放到預備知識學習階段，客觀上加大了預備知識學習的比重，同時也將教學目標變成了重點、難點的教授，使得教學過程有所側重，這對提高學生對有關知識的掌握程度可以起到積極的作用.比如：有相當一部分學生學習大學物理吃力的原因是不能將數學所學的微積分知識運用到解決物理問題中來，強化這部分的訓練，可以較為顯著地提高學生的學習成績.

但是學習效果不僅和學生的背景有關，也和學生的學習動力有密切聯系.對于缺乏學習動力的學生，反轉課堂很難達到預期效果.這些學生一方面沒有利用課前時間學習基本要點，另一方面由于基本內容沒有掌握，學習重點難點更加吃力，學習積極性進一步消退.對于這類學生，可以采取以下的措施來處理：降低課前學習材料的難度，一般來說視頻公開課聽課相對于書面材料學習更加簡單，學生更樂于接受；提高課前學習材料的趣味度，增加更多交互性功能，使學生可以通過不同的學習策略來學習有關知識；加強課前學習材料和課堂學習過程的有機結合，讓學生體會到課前學習的優勢.

反轉課堂的另一個需要解決的問題是學習時間較傳統教學方式更長，這對于學習負擔相對較重的專業或個人可能會帶來一定的消極影響.對于這類情況，可以適當壓縮課前學習材料的長度，減輕學生的負擔；也可以通過提高授課系統的智能化優化學生課前學習材料的配置，提高學習效率.

2.2 同伴教學

同伴教學法［6］（peer instruction）是馬祖爾教授發展的一種教學模式，這種教學模式強調學生通過分組討論和學生之間的互動實現對核心概念的學習和掌握.從學習過程的角度上看，學生各自掌握的學前知識不同，對需要學習的內容難免有所偏差，通過分組討論，可以利用學生之間的相互優勢消除這種差異.相對而言，傳統的教學模式面向的是全體學生，教師很難了解單個學生的學習背景，盡管可以通過建立學習檔案來彌補，但相對來說需要投入更多的精力.

采用同伴教學法需要重視小組成員的分配，如果小組所有的成員的知識背景相似，學習能力接近，同伴教學法在解決問題上將難以實現預期的效果.教師在開展同伴教學時，有必要對學生的知識背景和學習能力有所了解，然后再對學生分組，這樣有助于學生通過討論分析和解決問題.教師也可以采取魚缸教學法（fishbowl），讓課堂的學生觀察某一小組的討論過程，通過積極思考討論中出現的問題，突出反饋和調整環節，實現優勢互補的目的.

同伴教學法中教師的作用和傳統教學模式有所不同.教師需要圍繞授課內容的重點設計一部分問題，學生需要圍繞這些問題開展討論；在學生討論過程中，教師需要根據實際情況，調整課堂氣氛，保證討論能夠順利開展；學生討論過后，教師也還需要根據討論結果給出總結性結論，并對討論過程中出現的問題作出答復.

學生在課堂中開展有效的討論對同伴教學法的開展十分重要［6］，教師在授課過程中激發學生的學習熱情，讓他們積極參加到討論中來.在討論過程中，還需要利用技術手段了解學生在討論中的參與程度，并根據實際情況作適當的調整.

3 研究型學習

研究型學習［7，8］（Problem-based learning）把學習內容表現為若干核心問題，教師通過引導學生解決這些核心問題實現對知識點的講授.類似把波動光學的學習內容體現成基于惠更斯原理計算光柵衍射的光強分布；把相對論運動學的學習內容體現成基于兩點基本假設對洛倫茲變換的推導，都可以看成是研究型學習的案例.研究型學習把學習過程轉換成發現過程，學生的角色從被動接受逐漸轉變為主動探究，這對于培養學生獨立思考能力能起到積極的作用.

從教育理論來看，學習者通過學習不僅獲得知識，而且歸納發現問題、解決問題的方法.研究型學習的一個重要的特征，就是加強后一部分在學習過程中的比重，力圖使學生養成勤于思考、勤于動手的良好學習習慣.在問題的設計上，教師應盡量避免簡單應用的概念性問題，鼓勵使用接近科學研究，可控制變量較多的案例來引導學生將各個不同層面的知識有機地組織起來.如何組織案例和問題，對于教師和學生都將是一個挑戰.

研究型學習的另外一個優勢在于學生通過案例研究，可以學會使用各種工具來解決科學問題.解決問題的成就感，可以激發學生的學習積極性.教師在案例組織時應對學生的知識背景有一定的了解，同時在問題的選擇上給予學生一定的自由，讓學生更好地發揮學習潛能.

4 結語

以上提到的三種方法的共同特點包括：在學習過程中，學生的角色由被動轉為主動，教師的作用由主導轉為引導；學生需要將更多的課外時間投入學習，教師講解內容比傳統模式有所減少；學生不僅學習知識，在自主學習、獨立思考、邏輯思維、團隊意識、口頭表達等學習技能方面都在不同程度上受到訓練.這些方法在實踐過程中都能取得一定的成績，但和傳統方法相比，學習效率是否提高還有待進一步的研究證明.

教學改革是一項意義重大的工作，也是一項任重而道遠的工作.只有本著實事求是，積極開拓，循序漸進，注重實效的方針，加強實證性教學研究，從試點做起，不斷修正教學方案，才有可能收到較好的教學效果.只有有實效的教學改革，才是有生命力的教學改革.

［1］Ambrose S A，Bridges M W，DiPietro M，et al.How learning works：Seven research-based principles for smart teaching［M］.John Wiley ＆Sons，2010.

［2］Rawson J，Marsh E，Nathan M，et al.What works，what Doesn't［J］.Scientific American Mind，2013，24（4）：46-53.

［3］王祖源，顧牡.MOOCs來襲我們準備好了嗎？［J］.物理與工程，2013，23（6）：1-2，7.

［4］櫟風.乘著MOOCs歌聲的翅膀——復旦大學陸昉副校長訪談錄［J］.物理與工程，2013，23（6）：3-4.

［5］Tucker B.The flipped classroom［J］.Education Next，2012，12（1）：82-83.

［6］Mazur E，Hilborn R C.Peer instruction：A user's manual［J］.Physics Today，1997，50（4）：68-69.

［7］Gallagher S A.Problem-based learning［J］.Journal for the Education of the Gifted，1997，20（4）：332-362.

［8］Savery J R，Duffy T M.Problem based learning：An instructional model and its constructivist framework［J］.Educational technology，1995，35（5）：31-38.